108 年 國立臺灣大學地理環資系碩士班甲組《環境生態與水文學》

此題為解釋名詞題，主要在測試考生對基礎生態學名詞的理解。

核心觀念： 淨初級生產力（Net Primary Production, NPP）是生態學中衡量生產者（如植物）在特定時間和空間內，扣除自身呼吸作用後，所能儲存的有機物總量。

詳解：
淨初級生產力（Net Primary Production, NPP）是指在一個生態系統中，由生產者（主要是植物、藻類和藍綠菌）透過光合作用所製造的有機物總量，扣除生產者自身呼吸作用（Respiration, R）所消耗的能量後，所剩餘的能量。其公式表達為：

$NPP = GPP - R$

其中：

• $GPP$ (Gross Primary Production)：總初級生產力，即生產者透過光合作用固定的總碳量。
• $R$ (Respiration)：生產者自身的呼吸作用消耗的有機物總量。

此題為解釋名詞題，主要測試考生對生態學中干擾（disturbance）與生物多樣性關係理論的理解。

核心觀念： 中度干擾假說（Intermediate Disturbance Hypothesis, IDH）提出，在一個生態系統中，生物多樣性最高的水準並非出現在干擾頻率極高或極低的情況下，而是在中等頻率和強度的干擾下。

詳解：
中度干擾假說（Intermediate Disturbance Hypothesis, IDH）是由 Joseph Connell 在 1978 年提出的，用以解釋為何在許多生態系統中，生物多樣性並非在永續穩定狀態下最高，而是在經常經歷干擾的環境中反而呈現最高的多樣性。

該假說的核心論點是：

• 低度干擾： 在干擾極少或不存在的環境中，競爭能力強的物種會逐漸取代其他物種（如演替的頂極群落），導致物種豐富度下降。
• 高度干擾： 在干擾頻繁且強烈的環境中，只有少數能快速繁殖、適應性強的物種（如先驅物種）能夠生存，大多數物種無法在此環境中建立穩定的族群，因此物種豐富度也會較低。

此題為解釋名詞題，主要測試考生對生態系統中分解者的角色與功能的理解。

核心觀念： 分解者（Decomposer）是生態系統中的重要組成部分，負責將死亡的有機物質分解為無機物，並將營養鹽釋放到環境中，供生產者再利用。

詳解：
分解者（Decomposer）是指生態系統中一群能夠分解死亡的有機物（包括動植物遺體、排泄物等）的異營生物。牠們的主要作用是將複雜的有機分子分解成簡單的無機物（如二氧化碳、水、礦物質營養鹽等），這個過程稱為分解作用（Decomposition）。

常見的分解者包括：

• 細菌 (Bacteria)： 種類繁多，能分解各種有機物質。
• 真菌 (Fungi)： 如黴菌、酵母菌、蕈類，尤其擅長分解木質素、纖維素等難分解的物質。
• 部分無脊椎動物： 如蚯蚓、糞金龜等，牠們透過攝食有機碎屑，並在消化道內進行初步分解，有時也被稱為碎屑食者（Detritivore），與分解者協同作用。

此題為解釋名詞題，主要測試考生對生物累積和生物放大的概念的理解。

核心觀念： 生物放大（Biomagnification）是指某些難以代謝或排泄的化學物質，在食物鏈中從低階營養級向高階營養級傳遞時，其濃度逐級升高並累積的現象。

詳解：
生物放大（Biomagnification），又稱食物鏈放大效應，是指某些在環境中存在的持久性有機污染物（Persistent Organic Pollutants, POPs）或重金屬，當被生物體攝入後，由於其難以被代謝或排出體外，會在其體內逐漸累積（生物累積，Bioaccumulation）。當這些被污染的生物體被更高營養級的生物捕食時，污染物會從獵物轉移到捕食者體內。由於捕食者在生命週期中會攝食大量的獵物，因此污染物會在捕食者體內進一步累積，濃度遠高於其所處的環境或獵物的濃度。

此題為解釋名詞題，主要測試考生對棲地類型與物種適應性關係的理解。

核心觀念： 邊緣物種（Edge Species）是指那些主要棲息在棲地邊緣地帶（edge habitat）的物種，牠們的生存高度依賴於兩種或多種不同棲地類型交會處的特殊環境條件。

詳解：
棲地邊緣（Habitat Edge）是指兩種不同棲地類型（例如森林與草原、水體與陸地）交界的地帶。這個區域通常具有與鄰近兩種棲地類型都不同的環境特徵，例如光照強度、溫度、濕度、風力等可能介於兩者之間，或者有額外的資源（如兩種棲地的食物來源）。

邊緣物種（Edge Species）是那些特別適應或偏好棲地邊緣環境的物種。牠們可能利用邊緣地帶的：

• 多樣化資源： 同時獲取來自兩種棲地的食物或築巢材料。
• 特殊微環境： 牠們可能對邊緣地帶的特定光照、溫度或濕度條件有偏好。
• 保護作用： 邊緣地帶有時能提供逃避掠食者或惡劣氣候的條件。

此題為解釋名詞題，主要測試考生對水文學中土壤滲透能力的理解。

核心觀念： 滲透力（Infiltration Capacity）是指土壤在特定條件下，單位時間內能夠吸收水分的最大速率。

詳解：
滲透力（Infiltration Capacity）是指土壤在給定條件下，能夠吸收水分的瞬間最大速率。這個速率會隨著時間的推移而逐漸降低，因為土壤孔隙逐漸被水分填滿，或土壤顆粒受水影響而膨脹、沉降，導致滲透阻力增加。

影響滲透力的主要因素：

1. 土壤性質：
   • 質地： 砂質土壤的滲透力通常高於黏質土壤，因為砂粒間孔隙較大且連通性好。
   • 構造： 良好的土壤團粒結構能提供較大的滲透通道，提高滲透力。
   • 孔隙度與連通性： 孔隙越多、孔隙越大的土壤，滲透力越高。
2. 地表條件：
   • 覆蓋物： 植物植被、枯枝落葉層可以減緩雨水衝擊，防止土壤表面被沖刷封閉，有助於維持較高的滲透力。
   • 地表坡度： 坡度越大，地表逕流速度越快，滲透的時間越短，有效滲透量減少。
   • 土壤含水量： 土壤越乾燥，初始滲透力越高。當土壤接近飽和時，滲透力會顯著降低。

此題為解釋名詞題，主要測試考生對水文學中單位信號法（Unit Hydrograph Theory）的理解。

核心觀念： 單位歷線（Unit Hydrograph）是一個水文學上的概念，用來描述某流域在單位時間（通常為 1 小時）的淨雨（net rainfall）作用下，所產生的設計洪水歷線。

詳解：
單位歷線（Unit Hydrograph, UH）是應用於水文學中，用於預測流域洪水歷線（Hydrograph）的一種數學模型。其基本概念是：

1. 淨雨（Net Rainfall）： 指總降雨量扣除損失（如蒸發、截留、土壤滲透）後，實際到達河道的雨水部分。
2. 單位時間： 指一個特定且恆定的時間長度，例如 1 小時、6 小時或 24 小時。這個時間長度稱為單位時間。
3. 假設： 單位歷線理論建立在幾個關鍵假設之上：
   • 線性系統： 流域的響應是線性的，即淨雨的總量與其產生的流量歷線峰值和體積成正比。
   • 時變性（Time-invariance）： 在一段時間內，流域的響應特徵（如滯時、歷線形狀）是恆定的，不受降雨發生時間的影響。

此題為解釋名詞題，主要測試考生對地下水流動基本定律的理解。

核心觀念： 達西定律（Darcy's Law）是描述多孔介質中流體（如地下水）流動速度與驅動力（水力梯度）和介質性質（導水係數）之間關係的定律。

詳解：
達西定律（Darcy's Law）由法國工程師 Henry Darcy 在 1856 年提出，是描述地下水在多孔介質（如土壤、岩石）中流動的基本定律。該定律指出，在穩態、單相、不可壓縮流體流動的條件下，流體通過多孔介質的平均流速與水力梯度成正比，與介質的滲透性成反比。

其數學表達式為：

$v = -K \frac{dh}{dl}$

其中：

• $v$ 是平均流速（或稱滲流速度, seepage velocity），單位為長度/時間（例如 m/s）。
• $K$ 是水力傳導係數（Hydraulic Conductivity），是衡量介質滲透性的參數，單位為長度/時間（例如 m/s）。它與介質的孔隙度、孔隙大小、連通性以及流體的性質（黏度、密度）有關。

此題為解釋名詞題，主要測試考生對河流系統結構與分類的理解。

核心觀念： 河道序（Stream Order）是根據河流系統的層級結構，對河道進行的一種分類方法，通常使用 Strahler 或 Horton 的排序系統。

詳解：
河道序（Stream Order）是一種對河流網絡進行結構性分類的指標，最常用的是 Strahler 的排序系統。該系統的基本原則如下：

1. 第一級河流（1st Order Streams）： 指的是沒有其他支流匯入的最小溪流，通常是源頭處的細小水流。
2. 匯流法則： 當兩條相同級數的河流匯流時，匯流後的河流級數會增加一級。例如，兩條第一級河流匯流後，形成一條第二級河流。
3. 不同級數匯流： 當不同級數的河流匯流時，匯流後的河流級數取較高等級的河流級數。例如，一條第二級河流與一條第一級河流匯流，匯流後的河流仍為第二級。

此題為解釋名詞題，主要測試考生對水文學中洪水歷線延滯時間的理解。

核心觀念： 滯時（Lag Time）在水文學上，通常是指從降雨（或淨雨）開始到洪水歷線達到峰值之間的時間間隔。

詳解：
滯時（Lag Time）是描述流域對降雨響應的一項重要指標，它衡量了從降雨事件開始，到其產生的洪水歷線（Hydrograph）達到最高流量（峰值）之間的時間長度。

滯時的定義與計算：
在實際應用中，滯時的起始點和終點可能有不同的定義：

1. 從降雨開始到峰值時間（Time to Peak）： 這是最常見的定義，即從降雨事件開始（或平均降雨時間結束）到洪水歷線峰值出現之間的時間。
2. 從淨雨開始到峰值時間（Time to Peak of Net Rainfall Hydrograph）： 在單位歷線理論中，通常是指從淨雨（扣除損失後的雨水）開始，到淨雨歷線的峰值出現之間的時間。
3. 從降雨重心到峰值時間（Time from Rainfall Centroid to Peak）： 有時也會使用降雨事件的「重心」（即降雨量隨時間分佈的平均時間點）到洪水歷線峰值之間的時間。

此題為問答題，前半部要求解釋「營養級聯」（trophic cascade）的概念，後半部則需探討其在環境經營管理上的應用。

核心觀念： 營養級聯（trophic cascade）是指在生態系統中，由於頂級掠食者（或更高營養級物種）的活動，對其直接獵物（下一營養級）產生影響，進而連鎖地影響到更低營養級物種（如生產者）的族群大小和豐度的現象。

詳解：
1. 營養級聯（Trophic Cascade）的定義：

營養級聯是指在一個生態系統中，能量和影響力從食物鏈的頂端向下傳遞，導致各個營養級（Trophic Level）之間產生連鎖反應的現象。簡單來說，頂級掠食者的存在或消失，會影響到牠的獵物，而獵物的增減又會進一步影響到牠的獵物，如此層層遞進，如同水滴落入水中產生的漣漪效應。

這種級聯效應可以是：

• 頂級掠食者 → 獵物 → 生產者 (Top-down effect)： 這是最經典的營養級聯。例如，狼（頂級掠食者）的存在抑制了鹿（獵物）的數量，使得鹿對植物（生產者）的啃食壓力減小，進而促進了植物的生長和恢復。
• 營養級聯也可以是「由下而上」（Bottom-up effect）的影響，但「營養級聯」通常特指頂級掠食者引起的連鎖反應。

2. 營養級聯在環境經營管理上的應用：

營養級聯的概念在生態恢復、保育和環境管理上具有重要的指導意義。以下是幾個應用面向：

• 生態系統恢復（Ecological Restoration）：
  • 恢復頂級掠食者： 在某些退化的生態系統中，頂級掠食者的消失是導致系統失衡的重要原因。透過「恢復物種」（reintroduction）或「種間關係恢復」（re-establishing ecological interactions），例如將狼重新引入黃石國家公園，成功地改變了鹿的行為模式，促進了河岸植被的恢復，進而改善了河岸生態系統的結構和生物多樣性。

此題為問答題，前半部要求解釋全球碳循環，後半部則需討論陸地生態系統在其中的角色。

核心觀念： 全球碳循環是指碳元素在地球大氣圈、水圈、岩石圈和生物圈之間不斷移動、轉化和儲存的過程。陸地生態系統（特別是森林和土壤）在全球碳循環中扮演著極為重要的碳匯角色。

詳解：
1. 全球碳循環 (Global Carbon Cycle)：

全球碳循環是一個複雜而動態的過程，涉及碳元素以各種形式（如二氧化碳 CO2、甲烷 CH4、有機碳、碳酸鹽等）在地球不同圈層間的交換與儲存。主要過程包括：

• 大氣圈 (Atmosphere)： 碳主要以 CO2 和少量 CH4 的形式存在。
• 生物圈 (Biosphere)：
  • 生產者（植物、藻類）： 透過光合作用將大氣中的 CO2 固定成有機碳。
  • 消費者與分解者： 透過呼吸作用將有機碳釋放回大氣，或以有機物的形式儲存在體內或土壤中。
• 水圈 (Hydrosphere)：
  • 溶解 CO2： CO2 可溶解於水體，並與水反應形成碳酸。
  • 海洋生物： 浮游生物進行光合作用，死亡後沉降形成碳酸鹽沉積物。
  • 碳酸鹽沉澱： 在海洋中形成碳酸鈣，儲存在沉積物中。
• 岩石圈 (Lithosphere)：
  • 化石燃料： 儲存了億萬年前生物量形成的巨大碳庫（煤、石油、天然氣）。
  • 碳酸鹽岩： 如石灰岩，是地球上最大的碳庫。
  • 火山活動： 將岩石圈中的碳以 CO2 形式釋放到大氣。

主要的碳交換過程：

• 光合作用 (Photosynthesis)： 生產者從大氣（或水體）吸收 CO2，轉化為有機物。
• 呼吸作用 (Respiration)： 生物（包括植物、動物、微生物）將有機物氧化，釋放 CO2。
• 分解作用 (Decomposition)： 微生物分解死亡的有機物，釋放 CO2 或 CH4。
• 燃燒 (Combustion)： 包括自然火災和人為燃燒化石燃料，釋放大量 CO2。
• 溶解與釋放： CO2 在大氣與水體之間的溶解和釋放。
• 地質過程： 火山噴發、岩石風化、沉積作用等，速率較慢但影響巨大。

此題為問答題，要求以河川生態系為例，說明其所提供的生態系服務。

核心觀念： 生態系服務（Ecosystem Services）是指生態系統提供的、對人類有益的各種產品和過程。河川生態系提供多樣化的服務，涵蓋供給、調節、支持和文化等範疇。

詳解：
生態系服務是指自然生態系統為人類福祉所提供的各種利益，這些利益可以分為四個主要類別：供給服務（Provisioning Services）、調節服務（Regulating Services）、支持服務（Supporting Services）和文化服務（Cultural Services）。河川生態系作為一個重要的陸域-水域交界面，提供了豐富多樣的生態系服務。

以河川生態系為例，其提供的生態系服務包括：

1. 供給服務 (Provisioning Services)：

• 淡水資源： 河川是重要的淡水來源，提供飲用水、灌溉用水、工業用水以及水力發電所需的水資源。
• 漁業資源： 河川棲息著多樣的魚類、蝦蟹等水生生物，為人類提供重要的食物來源。
• 運輸與交通： 大型河川可作為重要的航運通道，便利貨物和人員的運輸。
• 生物材料： 河岸植被和水生植物可提供木材、蘆葦等材料。

2. 調節服務 (Regulating Services)：

• 洪水調節： 河川的河道、河漫區和氾濫平原具有蓄洪、滯洪的功能，能減緩洪水到達下游的速度和強度，降低洪災風險。
• 水質淨化： 河川生態系統中的微生物、植被和物理過程（如沉澱、稀釋）能分解污染物，淨化水質，去除部分有機物和營養鹽。
• 氣候調節： 河岸植被透過蒸散作用，對局部小氣候有降溫和增加濕度的作用；大型水體也有調節區域溫度的功能。

此題為問答題，要求解釋流量歷線（hydrograph）的組成部分，以及影響這些組成的因素。

核心觀念： 流量歷線是表示某一點流量隨時間變化的圖。它主要由基流（baseflow）和逕流（direct runoff）組成，而逕流又可細分為不同來源。

詳解：
流量歷線（Hydrograph）是描繪流域某測站流量隨時間變化的圖。一條典型的洪水流量歷線（storm hydrograph）可以分解為以下幾個主要組成部分：

1. 流量歷線的組成：

• 基流 (Baseflow)：

  • 定義： 基流是指在沒有直接降雨（或淨雨）影響下，維持在河道中的穩定流量。它主要來自地下水滲入河道，也可能包含來自長期儲水（如沼澤、湖泊）的滲流。
  • 特徵： 基流通常變化較緩慢，代表了流域地下水儲量的釋放，具有「緩衝」洪水峰值的效果。

• 逕流 (Direct Runoff, DR) 或稱洪水流量 (Stormflow)：

  • 定義： 逕流是指在降雨事件期間或之後，由降雨直接產生的、在短時間內流至河道的全部水量。它是造成洪水峰值的主要原因。
  • 組成（不同來源）： 逕流的產生來源可以細分為：
    • 地表逕流 (Surface Runoff)： 當降雨強度大於土壤滲透能力（infiltration capacity），或土壤飽和時，雨水直接在地表流動，最終匯入河道。這是最直接、最快速的逕流組成。
    • 土壤帶滲流 (Interflow / Subsurface Flow)： 指雨水滲入土壤表層後，沿著土壤層或岩石層的較淺層流動，並在較短時間內匯入河道的徑流。其速度介於地表逕流和地下水流之間。
    • 飽和區滲流 (Saturated Overland Flow)： 在坡地，當土壤表層水分飽和時，地表降雨會迅速被飽和的土壤吸收，然後又被「擠壓」出來，形成類似地表逕流的流動。
    • 地下水流 (Groundwater Flow)： 雖然基流主要代表地下水，但在強降雨期間，地下水的水位會升高，其向河道輸水的速率也會增加，這部分增加的地下水流有時也被視為洪水期間的逕流組成。

2. 可能影響因素：

影響流量歷線組成（特別是逕流的組成與大小）的因素眾多，主要可歸納為以下幾類：

• 降雨特性 (Rainfall Characteristics)：
  • 降雨強度 (Intensity)： 降雨強度是決定地表逕流產生的關鍵。強度越高，越容易超過土壤滲透能力，產生更多的地表逕流。

此題為問答題，要求說明台灣地區河川流量的特性。

核心觀念： 台灣河川流量特性受其特殊的地理環境（島嶼、地形、氣候）影響，呈現顯著的季節性、驟發性、以及地理差異性。

詳解：
台灣位於副熱帶地區，是一個四面環海的島嶼，地形崎嶇，中央山脈貫穿南北，加上西南季風和東北季風的影響，造就了台灣河川獨特且顯著的流量特性。主要特點如下：

1. 流量季節性極強 (Strong Seasonal Variation)：

• 豐水期 (Wet Season)： 主要集中在每年的 5 月至 10 月，受西南季風及颱風季節影響，降雨量充沛，河川流量大。此時期常有劇烈的洪水發生。
• 枯水期 (Dry Season)： 主要集中在每年的 11 月至隔年 4 月，受東北季風影響，迎風面的東部地區降雨較多，但台灣西部地區降雨量顯著減少，河川流量大幅下降，甚至出現乾涸現象。

2. 流量驟發性強，洪水歷線尖銳 (Flashy Hydrographs)：

• 地形因素： 台灣多數河川發源於中央山脈，流域面積相對較小，坡降陡峻，河道短促。
• 降雨特性： 豐水期的降雨常以強降雨（如颱風帶來的豪雨）或短時強對流雨為主。
• 結果： 這些因素結合，導致台灣河川的洪水歷線非常尖銳，即降雨後流量迅速上升，達到峰值後又快速下降，滯時（lag time）很短。這使得台灣河川容易發生瞬間性的洪災。

3. 地理分區差異顯著 (Significant Regional Differences)：

此題為計算題，要求利用水平衡原理，推估農地的年蒸發量。

核心觀念： 水平衡原理（Water Balance）是指在一個特定區域（如農地）和特定時間段內（如一年），進入該區域的水量總和等於離開該區域的水量總和，再加上該區域內水量儲存的變化量。

詳解：
本題要求利用水平衡原理，推估農地的年蒸發量。首先，我們需要建立該農地的水平衡方程式。

1. 確立研究範圍與時間：

• 研究範圍：農地
• 時間段：一年

2. 識別水量收支項：

• 水量流入 (Inflow)：
  • 年降雨量 (Precipitation, P)
  • 河川入流量 (River Inflow, I_in)
• 水量流出 (Outflow)：
  • 年蒸發散量 (Evapotranspiration, ET)
  • 河川出流量 (River Outflow, I_out)
  • （假設無滲漏或地下水流出入，題目未提及）
• 水量儲存變化 (Change in Storage, ΔS)：
  • 農地可增加的蓄水量。

3. 單位換算與統一：
在進行計算前，所有單位必須統一。

• 面積：300 公頃 (ha) = $300 \times (100 \text{ m} \times 100 \text{ m}) = 300 \times 10^4 \text{ m}^2 = 3 \times 10^6 \text{ m}^2$
• 年雨量：2000 mm = 2 m
• 河川入流量：2.4 cms (cubic meters per second)
• 河川出流量：2.1 cms
• 蓄水量增加：2.4 公引 (hm³) = $2.4 \times (100 \text{ m})^3 = 2.4 \times 10^6 \text{ m}^3$

計算各項的年水量（以立方公尺 m³ 為單位）：

• 年降雨量 (P)：
  $P = \text{面積} \times \text{年雨量深度} = (3 \times 10^6 \text{ m}^2) \times (2 \text{ m}) = 6 \times 10^6 \text{ m}^3$

• 年河川入流量 (I_in)：
  1 年有 $365 \text{ 天} \times 24 \text{ 小時/天} \times 3600 \text{ 秒/小時} = 31,536,000$ 秒。
  $I_{in} = 2.4 \text{ m}^3/\text{s} \times 31,536,000 \text{ s} \approx 7.57 \times 10^7 \text{ m}^3$

• 年河川出流量 (I_out)：
  $I_{out} = 2.1 \text{ m}^3/\text{s} \times 31,536,000 \text{ s} \approx 6.62 \times 10^7 \text{ m}^3$

• 水量儲存變化 (ΔS)：
  $\Delta S = 2.4 \text{ hm}^3 = 2.4 \times 10^6 \text{ m}^3$

4. 建立水平衡方程式：
根據質量守恆定律，對於某個區域和時間段，其水量平衡方程式為：
$\text{總流入} = \text{總流出} + \Delta S$
$P + I_{in} = ET + I_{out} + \Delta S$

5. 解出年蒸發散量 (ET)：
將已知數值代入方程式，並重新整理以求解 ET：
$ET = P + I_{in} - I_{out} - \Delta S$